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2019年十大太空故事
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Alison Klesman 文 Shea 编译 |
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新视野探测器造访了太阳系中已知最遥远的天体之一，人类也了解了一年的太空生活会对人体产生什么影响，天文学家还公布了首张黑洞阴影的照片。 2019年见证了太空领域所取得的多项突破。在太阳系内，一个探测器对小行星表面之下的物质进行了采样；天文学家对海王星存档图像的仔细筛查发现了它迄今最小的卫星。此前对冥王星进行了近距离探访的探测器又飞过了另一个更为遥远的天体，为了解行星演化的历史打开了新的窗口。一个新的探测器着陆到了火星上，意在首次了解火星表面之下正在发生些什么。 在距离地球更遥远的地方，天文学家仍在试图搞清楚早期宇宙中的异样信号。解开这个谜题将能更多地告诉我们宇宙是如何诞生的以及它在婴儿时期又是什么样子的。科学家现在已可以把一闪而过的射电波暴发回溯到数十亿光年之外的星系，为认识它们的起源提供更为清晰的图像。 但2019年最大的突破却已酝酿了几十年。使用一架大小和地球相当的望远镜，天文学家发布了首张超大质量黑洞所投射下阴影的照片。 下面所列出的10个太空故事反映了2019年人类在认识宇宙的方方面面所取得的重要进展。 10 海卫家族又添新成员 1989年当“旅行者”2号飞过海王星时，发现了从地球上尚未被看到的6颗新海王星卫星。但至少还有一颗海卫躲过了“旅行者”2号的侦察。直到天文学家调出哈勃空间望远镜于2004年至2009年间所拍摄的150多幅海王星照片之后，它才现身。事实上，这颗新的卫星极难被发现，需要合并多幅图像来人为增加曝光时间，随后根据牛顿定律预言的位置来搜寻，进而确认它的存在。 实践证明这个办法行之有效。新发现的这颗海王星卫星被命名为海卫十四。它的直径约34千米，是海王星最小的卫星。根据它的轨道和大小，海卫十四有可能是海卫八的一块残骸。海卫八由“旅行者”2号发现，是海王星较大的卫星之一，直径约420千米。在它的表面上有一个巨大的撞击坑，海卫十四也许是那次撞击撞出的一块碎片。 虽然哈勃空间望远镜发现了这颗新卫星，但除了能证实它的存在之外却看到不更多的细节。海卫十四完全是一个无法被分辨的点，没有任何望远镜能分辨出它表面上的细节。 虽然目前还没有任何的计划，但环海王星探测任务无疑会改变这一现状，毕竟海王星及其卫星一直是行星科学家想要探测的首选目标之一，兴许几十年之后人类将会有机会近距离一睹海卫十四的样貌。  9 宇宙冷斑疑云延续 产生于大爆炸之后38万年，宇宙微波背景是宇宙中最早可自由传播的辐射。从2009年到2013年，欧洲空间局的普朗克卫星对宇宙微波背景进行了迄今最精密的测量，勘测了其中的微小涨落。这些涨落包含了大量的信息，可以提取出有关大爆炸和早期宇宙的细节。 不过，有一些细节却令人费解。在非常大的尺度上，有一些当今宇宙学标准模型难以解释的奇怪现象。其中之一就是宇宙微波背景的温度涨落似乎被分成了两个半球：北半球的涨落幅度较小，南半球的则较大。于是，在南半球的宇宙微波背景中，热斑会变得更热，而冷斑则会变得更冷。此外，在南半球的天空中还有一个特殊的大冷斑，直径约有10°。 宇宙学标准模型能够很好地描述“普朗克”所观测的许多结果，那么这些理论无法解释的异常说明了什么呢？ 2019年6月“普朗克”公布了其最新的数据。其中就包含了宇宙微波背景的全天偏振图，它描绘了宇宙微波背景光子自被发射出来之后是如何被带电粒子散射的。寻找特殊的温度模式和偏振涨落所重叠的区域也许能为导致温度异常涨落的原因提供线索。 虽然“普朗克”非常精确地测量了宇宙微波背景的温度涨落，但它最初并非是设计来进行偏振测量的。它获得的宇宙微波背景全天偏振图无疑是目前最好的测量结果，可是它测量宇宙微波背景偏振中微小涨落的能力依然有限。现在的偏振测量仍无法为宇宙微波背景的南北差异提供任何的线索。这些温度的异常有可能是罕见、但也并非完全意外的随机涨落，或者是由某些未知的过程所导致的。然而，眼下还没有办法给出一个明确的解释，也无法指认哪一个才是真正的原因。 认识宇宙微波背景各向异性的异常现象将有助于了解早期宇宙中的基本过程，但要确定其成因则需要更新、更好的偏振测量。目前萦绕着冷斑的疑云依然没有散去的迹象。  8 私人太空飞行蓬勃发展 2019年有多个组织机构在加速推进各自的载人太空飞行计划。3月26日，美国副总统彭斯宣布美国计划在2024年前载人重返月球。被称为“阿尔忒弥斯”计划，它将采用美国宇航局下一代的火箭空间发射系统和目前正在测试的“猎户座”飞船。该计划的第一个任务“阿尔忒弥斯”1号打算在2020年发射一艘无人“猎户座”飞船到月球轨道之外、距离地球45万千米的地方，进行为期3周的飞行，为将来的载人探月任务做准备。 3月2日，由“猎鹰”9号火箭发射，太空探索技术公司的载人龙飞船进行了首次太空飞行。这一无人飞船成功与国际空间站对接并在3月8日返回地面。这一任务证明该飞船的降落伞能有效地降低其降落的速度，确保宇航员的安全。5月9日，蓝色原点公司公布了蓝色月球着陆器，它设计来把6.5吨的人和物资送上月球表面。蓝色原点计划在2021年使用新的火箭进行发射，把航天器送入环地球轨道。 在2017年12月的首次成功飞行之后，维珍银河公司的太空船二号在2019年2月21日再次进入太空，飞行到了90千米不到一点的高度。美国宇航局把海平面以上80千米定义为太空的边界。7月9日，维珍银河宣布将进行并购，成为第一家专门进行商业载人太空飞行的上市公司，此举意在为完全商业化的太空船二号筹资。 不过，2019年也见证了几个失利。4月20日，就在成功往返国际空间站几周后，载人龙飞船在测试其引擎时发生爆炸。调查发现，一道裂缝使得液态氧化剂流入并破坏了为引擎提供推进剂的系统阀门，后者将被用于紧急发射终止过程。泄漏点燃了阀门，引发了摧毁飞船的爆炸。同月，波音公司宣布推迟测试其旨在接送宇航员往返国际空间站的飞船。 虽然有这些失利，但2019年在商业太空飞行中无疑有更多的“第一”，因此让我们拭目以待明年。  7 孪生宇航员揭示太空飞行对健康影响 从2015年3月至2016年3月，现已退休的宇航员斯科特·凯利（Scott Kelly）在国际空间站上生活和工作了1年。与此同时，他的孪生兄弟、同为退休宇航员的马克·凯利（Mark Kelly）则在地球上过着日常的生活。由于这对孪生兄弟有着相同的脱氧核糖核酸，因此成为了美国宇航局双生子研究项目的核心，它意在比较太空飞行前后人体的变化，以便了解长时间的太空生活和工作会对人产生什么样的影响。 2019年4月，10个研究团队公布了有关的研究结果。每一个团队各自专注于人类健康的不同方面，例如新陈代谢、脱氧核糖核酸复制、基因表达、认知、免疫应答和微生物群组。斯科特的一些身体机能，例如免疫应答，并未受到太空飞行的改变。但他的体重、基因表达、肠道菌群、颈动脉厚度以及脱氧核糖核酸的端粒都发生了改变。 当他在国际空间站时，大多数的变化会持续存在，但当他返回地球后一段时间便会还原到初始情况。例如，在太空飞行的过程中，他数千个基因表达的“开”和“关”互易。尤其是，斯科特的身体激活了多个在马克体内处于休眠的基因，这被认为是他的身体对新环境做出的调整。在回到地面后6个月内，斯科特超过90%的基因表达回归到了正常水平。 但有一些变化却是始料未及的。保护脱氧核糖核酸两端的端粒会随着年龄或因应激反映而变短。科学家本以为，由于身处太空这一压力更大的环境，相比呆在地球上的马克，斯科特的端粒会变短。然而，在太空飞行的过程中，斯科特的端粒反而变长了。在重返地面之后的48小时内，斯科特的端粒又变短到了正常水平。几个月后，较太空飞行前，斯科特体内较短端粒的数目有所增加，表明至少有一些太空飞行的影响是长期的。 对于未来前往月球或火星的宇航员来说，这些结果仍然是个好消息。总体而言，这些发现不会叫停载人火星之旅，但仍存在许多领域需要进一步研究，例如太空飞行造成的基因变化。同样重要的是如何更好地对宇航员进行辐射防护，这也许是去往火星的过程中最关键的问题。 那么对于斯科特来说，他自己觉得最显著的变化是什么。他说，在太空中呆了一年之后，他感觉自己不仅比孪生兄弟马克更聪明了而且还更帅了。  6 “洞察”号全面投入火星内部探测 肩负着探测火星内部的特殊使命，2018年11月26日美国宇航局的“洞察”号在火星表面着陆。其照相机和火星天气监测设备立刻就向地球发回了数据，而经过数周的准备之后它也开始全面投入工作。 在此后的数月中，它的运转情况良好。2019年4月26日“洞察”号上搭载的内部结构震动实验探测到了第一次微弱的火星地震。从那时起，这台仪器每周都能记录下数个震动事件，其中有十几次被认为是真正的火星地震。奇怪的是，大多数观测到的火星地震都很微弱，但有少数几个的强度超出了预期。目前并不清楚这是偶然现象，还是火星内部有着不同于地球和月球的地震能量释放方式。如果是后者，那它能帮助天文学家了解全新的行星内部活动机制。火星地震中有许多有着不同于地震和月震的奇特信号，这也是令人喜出望外的发现。 “洞察”号上的无线电科学和计量学载荷也发回了有价值的数据，而它的照相机则承担了包括地质学在内的其他科学研究。 不过，这其中也有波折。2019年2月28日，“洞察”号上的热流和物理特性载荷向火星土壤中放置了一个钻探机。目的是钻出一个5米深的洞以便直接测量火星地下的温度，但仅1个小时后钻机就卡住了，钻出的深度也只有35厘米。火星表面下的土壤层比此前料想的更加坚硬。 虽然遇到了这一困难，但科学家们设计出了一个新的方案好让钻机再次运转。10月17日，“洞察”号把它的铲子压在了钻机上为其增加摩擦力，使之能够再次挖掘。由此，它又向下钻探了2厘米，表明那里并没有岩石挡住了它的去路，为继续实验重燃了希望。 总体来说，“洞察”号无疑有一个很好的开端，任务开展地有条不紊。积累的数据越多，就越有望得到更好的科学成果。它的初始任务将持续708个火星日，近2个地球年。之后，科学家会向美国宇航局申请延长任务，相信它会继续做出各种有意思的科学发现。  5 隼鸟2号探访小行星龙宫 2018年6月，日本宇宙航空研究开发机构的隼鸟2号启程去往近地小心星龙宫。2018年10月，它释放出着陆器来近距离研究该小行星。隼鸟2号则计划在当月向下俯冲并触及小行星的表面以此来进行采样，但科学家发现“龙宫”的地貌出乎意料得崎岖且多石，没有易于采样的平滑区域。为寻找安全的着陆地点，降落被推迟。 这一等待是值得的。2019年2月22日，隼鸟2号成功下降到了“龙宫”上，发射了一枚小型的钽制抛射体撞击后者表面，然后使用1米长的采样管对扬起的物质进行了采样。 4月5日，隼鸟2号往小心星龙宫上投下了一枚小型炸弹。在这枚炸弹缓缓下落的过程中，隼鸟2号躲到了“龙宫”的另一侧，在800米外使用照相机来监视爆炸的过程。4月25日，隼鸟2号证实它炸出了一个直径20米的坑，由此带出的地下物质可供进一步的研究。不过，它花了数月的时间来观测这个新的坑以确定执行其最后任务的最佳地点。7月11日，隼鸟2号再次俯冲到“龙宫”的表面，向新炸出的坑射出了第2枚钽制抛射体，在返回前收集了有关的样本。 目前该探测器已完成所有主要科学目标，其中就包括了首次采集到了小行星表面之下的物质样本，创造了小行星探测的历史。这虽然看上去好像很容易，但在工程实现上绝非易事。 一旦这些样本被送回地球，其科学回报将会是丰厚的。天文学家不仅可以了解辐射和撞击会如何影响小行星的表面，还能一窥人造陨击坑中未受影响的物质。综合这些样本与图像和光谱等遥感数据，还能推断出“龙宫”上其他地点的信息，进而可以知晓空间环境会如何改变小行星的表面。 遥感数据发现，直径880米的“龙宫”很有可能是由一颗更大的小行星在很久以前瓦解而成的。它漆黑且干燥，没有含水矿物，表明其前身小行星也同样不含水。由于科学家相信是小行星把水送到地球上的，这会对在形成时期地球是如何获得水的产生影响。 隼鸟2号对“龙宫”的探测会在12月结束，此后它将带着珍贵的样本启程返航。  4 嫦娥四号在月球背面着陆 2019年恰逢人类登月50周年。不过，“阿波罗”宇航员仅仅涉足了月球的正面。2019年1月3日，中国的嫦娥四号成为了第一个在月球背面成功软着陆的探测器。当天晚些时候，着陆器还释放出了玉兔二号巡视器。 嫦娥四号的着陆地点位于月球南极艾特肯盆地冯·卡门环形山。2019年2月，国际天文学联合会行星系统命名工作组将嫦娥四号的着陆地点定名为“天河基地”。在月昼期间，嫦娥四号着陆器和巡视器会对月球背面的月质学开展研究。在长达2周的月夜期间，它们会处于休眠状态，等到太阳在月球上升起重新时再次苏醒。 2019年1月中旬，嫦娥四号的月面生物科普实验震惊了世界，它公布了第一株在月面上生长出的植物嫩芽照片：在进入-180℃的月夜前一周，棉花种子萌发并生长。到6月底，玉兔二号巡视器在月面上的工作时间已经远超此前预期的3个月，行驶的的里程也超过了213米。嫦娥四号任务发现，其着陆地点上层月壤的温度要低于“阿波罗”宇航员在月球正面所测得的，这可能是由于这两个半球月壤的成分不同所导致的。到10月初，嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器完成了10个月昼的工作。 中国的下一个月球探测器是嫦娥五号，它是一个采样返回任务。  3 新视野探测器飞掠“苍穹” 2019年新年伊始就迎来了万众瞩目的时刻，1月1日新视野探测器飞掠了柯伊伯带天体2014MU69，昵称“天涯海角”。2019年11月它被正式命名为“Arrokoth”，译为“苍穹”。它是迄今人造航天器所探测过的最原始天体。 “新视野”从距其3 500千米的地方飞掠了“苍穹”。那里距离地球约64亿千米、距离冥王星16亿千米，“新视野”所拍摄的首批图像以光速传播需要6个多小时才能抵达地球。 可以说是在一夜之间，“苍穹”从望远镜或探测器图像中的一个微小亮点变成了一个可以分辨的天体。 地面观测证实“苍穹”是一个双瓣形的天体，很可能是由两个小天体缓慢靠近贴合而成。绕着两瓣的连接点，它每15.92个小时就会自转一周。最长处达35千米，“苍穹”看上去就像一个由两个圆球组成的雪人。 然而，“新视野”拍摄的图像却发现它具有不同的形状。“苍穹”较大的瓣呈扁平状，像薄煎；较小的瓣腰围较大，形似橄榄球。除了大小之外，这两者有着相同的表面反射率和成分，因此一开始它们之间的距离也许并不十分遥远。 “苍穹”的表面为红色，很可能来源于阳光与诸如甲烷或乙烷等有机分子相互作用所产生的化合物。它的表面零星散落着环形山，有可能是过往陨击的结果，但数目少于预期。虽然有点意外，但考虑到“苍穹”的多孔性和低密度，那么在其表面形成像月球或冥王星上的大型陨击坑的可能性就微乎其微了。 2019年5月“新视野”团队公布了首批对“苍穹”的科学探测结果。到9月，虽然飞掠前后的图像还存储在“新视野”上，许多数据已经下载。同样还存储在星上的还有“新视野”对其他柯伊伯带天体所拍摄的图像。在拓展任务中，它会继续这一观测，为地球上的天文学家提供一个更近的视角。由于“苍穹”并不非常特殊，因此不需要精细地观测其他柯伊伯带天体就能将它们进行比较，获取遥远外太阳系中这些天体的有用信息，它们是诞出行星的太阳星云的遗存。 这是人类第一次近距离探测位于如此遥远太阳系中的一个天体，为研究早期太阳系提供了新的途径。  2 快速射电暴更加扑朔迷离 自2007年发现快速射电暴以来，这些持续时间仅数毫秒的射电爆发就一直困扰着天文学家。大多数快速射电暴出现后就此消失，并不清楚它们到底是什么，只知道它们起源自银河系之外。2012年，发现了首个再现的快速射电暴FRB121102。2017年，确定这一爆发来自25亿光年之外的一个矮星系。2019年再次改写了快速射电暴的研究历史，发现了9个新的再现快速射电暴，此外还首次确定了2个非再现快速射电暴的源头。 2019年2月，加拿大氢强度勘测实验宣布发现第二个再现快速射电暴FRB180814.J0422+73。2019年8月，它又发现了8个再现快速射电暴，在1年之内把已知的再现快速射电暴数量从1个增加到了10个。 目前的理论认为，快速射电暴起源自致密天体的强磁场，例如中子星、黑洞或白矮星间的并合。但到底是哪一个、还是全部、抑或是其中的某个组合，仍不清楚。发现越来越多的再现快速射电暴让天文学家相信，快速射电暴并非都有着相同的起源。有许多快速射电暴的理论都涉及到剧烈事件，可以解释仅出现一次的爆发。但如果要解释再现的爆发，就必须要能提出一个能一次又一次产生爆发的机制。 再现快速射电暴并不是2019年在该领域的唯一突破。6月底，天文学家宣布首次确定了一个非再现快速射电暴的宿主星系。2018年9月24日，澳大利亚平方千米阵探路者发现了快速射电暴FRB180924。通过测定这一爆发到达该射电望远镜阵列的时间，发现信号达到每一面天线的时间存在十亿分之几秒的差别。这种干涉测量方法可以精确地定出该爆发在天空中的位置，后者位于大质量星系DES J214425.25-405400.81的外围，距离地球约36亿光年。几天后，另一组天文学家使用10面4.5米的天线确定快速射电暴FRB190523的宿主星系为距离地球约79亿光年的PSO J207.0643+72.4708。 通过观测这两个星系，可以了解其中的恒星、气体和尘埃，这对于确定快速射电暴的成因及其前身星的特性至关重要。非再现快速射电暴的宿主星系惊人的相似。两者的大小都与银河系相当，都是不再产生大量恒星的年老星系。这与再现快速射电暴FRB121102的宿主星系形成了鲜明的对比，后者的质量不足银河系的千分之一且正在高速形成恒星。快速射电暴FRB180924的位置同时也排除了它起源自其宿主星系中心的超大质量黑洞，它们两者之间的距离达到了约13 000光年。这两个大质量且宁静的宿主星系也削减了快速射电暴与超新星之间的联系，因为超新星在此类星系中并不会频繁出现。 有一点可以肯定，那就是快速射电暴正在变得更加扑朔迷离。这不得不让人发挥想象力，思考任何一种可能性，研究每一种可能的机制，无论它们有多么不可思议。发现更多的快速射电暴，确定它们的宿主星系，是了解它们成因的关键。有天文学家怀疑，所有的快速射电暴都是会再现的，只是时间间隔长短的问题。只要等待的时间足够长，也许就会再次看到它。当然，是不是这样就只有时间能回答了。  1 黑洞阴影的首张照片 黑洞普遍存在于我们的宇宙中。天文学家已经看到了它们对太过靠近天体所施加的引力，测量了围绕着它们转动的物质。但是，黑洞当然是黑的。任何太过靠近黑洞的东西，只要越过了视界，就会一去不复返。即便是光也无法幸免。 然而，黑洞会在其周围发光的物质上投下影子。2019年4月，由遍布全球的8架射电望远镜构成的事件视界望远镜发布了首张黑洞阴影的照片。它是全球数百位科学家数十年努力的结果。 这张照片拍摄的是星系M87中心的超大质量黑洞。M87位于室女星系团中，距离地球5 500万光年。这个黑洞的质量高达太阳的65亿倍，半径约为冥王星轨道半径的6倍，但因位于遥远的室女星系团中，看上去仍实在太小了，任何一架单独的望远镜都无法对其成像。使用甚长基线干涉测量技术，事件视界望远镜构造了一架和地球大小相当的虚拟望远镜。通过8架望远镜同时观测同一目标并仔细地合成有关结果，它就能分辨出直径小到20微角秒的结构，相当于在巴黎阅读一张放在纽约的报纸。这个黑洞阴影的大小大约是该黑洞视界的2.5倍。 在整个过程中，科学家遇到了许多挑战。因为是全新科学探索，最大的挑战就是从零开始。其他的挑战还包括要处理海量的数据。所有的数据被存储在960个硬盘中，需要运输到分析中心来处理。光这个过程就花了数月的时间。 由此得到的绝不仅仅是一幅漂亮的照片，它为在自然界中检验我们从实验室所得到的物理学规律提供了一条强大而独有的途径。单单获得这幅图像就能证明，根据爱因斯坦的广义相对论对黑洞看上去会是什么样子的预言是正确的。此外，对于黑洞吸积的许多认识也是正确的。从科学上讲，这仅仅是一个开始。黑洞照片告诉我们测量到的黑洞质量与广义相对论相符。 然而，当你检验爱因斯坦的广义相对论时，不希望会存在例外。但这一情况确实可以存在于黑洞阴影中。你可以使用完全不同于广义相对论的理论，然后构造出完全一样的阴影大小。这是一个仍在研究的问题。 解决的办法之一就是对银河系中心质量达太阳430万倍的超大质量黑洞人马A*直接成像。这一观测正在进行中，但却面临着另一项挑战。由于物质自身的变化，黑洞周围物质所发出的光会也会随着时间变化。在M87周围这一变化的时间跨度约为1周。人马A*的质量仅有M87中央黑洞的1/1 500左右。黑洞越小，这一变化的速度就越快；在M87上变化的时间为1周，在人马A*则只有几分钟。人马A*无疑能更好地检验广义相对论，但如何应对这么一个高速变化的源却是一个比收集数据本身更要紧的问题。 天文学家也正在研究M87的超大质量黑洞是如何发射出其长度可达约5 000光年的高能粒子喷流的。未来对该黑洞附近所发出光偏折特性的测量可以提供有关的信息。 尽管总是还有更多的工作要做，但事件视界望远镜的成就荣登榜首实至名归。对紧邻黑洞区域及其阴影的直接成像，不仅能检验对黑洞周围极端条件下物理学的认识，还能为黑洞是如何形成以及它们在宇宙中所扮演的角色提供更好的认识。  |
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[Astronomy 2020年1月]
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2001-2020火流星工作组制作
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